隧道小线圈瞬变电磁仪器的设计与实现

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作者：

张磊

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摘要：

瞬变电磁法近几年在地质调查,地下水探测及灾害水探测等领域都发挥了很大的作用,现已成为探测地下未知物体的重要方法.与其他国家相比,虽然我国对瞬变电磁法的研究起步较晚,但由吉林大学研制出的ATEM型瞬变电磁仪器以及重庆奔腾数控技术研究所研制的WTEM仪器在地面应用中都已经取得了良好的探测效果.然而在隧道环境下,由于线圈参数限制,导致发射电流关断时间较长,一定程度上制约了瞬变电磁仪器在野外的工作范围.因此,为了满足探测需求,本文针对现有仪器的不足,提出开展适合于隧道应用的小线圈瞬变电磁仪器的研制,并给出了仪器各部分的具体设计方案和测试结果. 通过查阅国内外关于瞬变电磁发射机的设计方案可知,现有瞬变电磁仪器具有以下特点:(1)发射机主控单元主要是基于单片机或者PC104进行设计的,但二者存在处理速度缓慢或功耗较大等缺点,不适合在野外长时间工作;(2)发射电流关断时间是发射机的重要指标,是影响后续数据解释结果可靠性的关键因素;(3)瞬变电磁信号具有早期信号幅值相对较大,中晚期信号幅值小的特点.针对这些难题,本文提出以下方案进行解决:(1)基于复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device,CPLD)开展瞬变电磁发射机的设计,CPLD具有处理速度快,功耗低,外围电路简单等优点;(2)采用基于开关速度快的MOSFET开关管设计功率变换电路,并通过TVS管进行能量吸收,可实现短发射电流关断时间,同时,为满足不同探测环境的需要,发射机具有多种发射频率及占空比;(3)鉴于MPS-140801采集卡具有采样噪声低,信噪比高等优势,本文提出基于该采集卡实现接收机的设计,采用前端匹配分段放大电路的技术手段,基于不同放大倍数的五个通道进行同步采集,分别截取不同时段的数据,经归一化处理后拼接为一组瞬变电磁信号数据,实现了对早期信号低放大倍数采集,对中晚期信号高放大倍数采集的目的,提高对中晚期信号的采集精度. 本文接收机控制软件基于LabVIEW编程,用户可以通过控制软件对接收机进行控制.控制软件主要完成的工作包括:参数设置,电流采集和信号采集.接收机工作前可以对数据存储位置,采样率,叠加次数,采样长度等参数进行设置.电流采集部分可以对发射电流波形进行显示及存储,并且可以计算和存储发射电流关断时间.信号采集部分可以实时显示当前叠加次数和采集信号波形,并且提供线性坐标和对数坐标两种显示方式. 为验证仪器设计指标,对发射机和接收机分别进行了室内测试和野外实验.室内测试包括发射电流关断时间,发射频率及占空比,接收机本底噪声,数据存储等功能.测试结果表明,当采用适用于隧道环境下的5m×5m,8匝发射线圈,发射电流20A时,发射电流关断时间为50μs,接收机本底噪声为15μV.最后在甘肃麦积山隧道进行了野外实验,通过对实验结果分析,验证了该瞬变电磁系统的有效性.

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关键词：

瞬变电磁法；关断时间；CPLD；分段放大；LabVIEW

学位级别：

硕士

DOI：

CNKI:CDMD:2.1015.594283

被引量：

3